2.2.1 Xử lí ảnh và quá trình phát triển
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và cơng nghệ. Nó là một ngành khoa học mới mẽ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó ngày càng đa dạng và mở rộng.
Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trị quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đờ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đờ họa đóng vai trị quan trọng trong tương lai ngành ơ tơ.
Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh "tốt hơn" hay một kết luận.
Hình 2.9: Cấu trúc xử lý ảnh
Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính như nâng cao chất lượng ảnh và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền qua cáp từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh số thuận lợi. Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng
34
cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan.
Để dễ tưởng tượng, xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như Camera, máy chụp ảnh). Trước đây, ảnh thu qua Camera là các ảnh tương tự (loại Camera ống kiểu CCIR). Gần đây, với sự phát triển của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy ra từ Camera, sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo. (Máy ảnh số hiện nay là một thí dụ gần gũi). Mặt khác, ảnh cũng có thể tiếp nhận từ vệ tinh; có thể quét từ ảnh chụp bằng máy quét ảnh.
Có thể xem một ví dụ minh họa cho quá trình trên.
35 Có thể hiểu tiến trình xử lý trên như sau - Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition)
Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng. Thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tấn số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng có loại camera đã số hoá (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh.
Camera thường dùng là loại qt dịng: ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng ảnh một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh).
- Tiền xử lý (Image Processing)
Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn.
- Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh
Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích, nhận dạng ảnh. Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì thư cho mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu, chữ về địa chỉ hoặc tên người thành các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng. Đây là phần phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này.
- Biểu diễn ảnh (Image Representation)
Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết với các vùng lận cận. Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính. Việc chọn các tính chất để thể hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection) gắn với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đổi tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được. Ví dụ: trong nhận dạng ký tự
36
trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phân biệt ký tự này với ký tự khác.
- Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh. Quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước. Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng. Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể được nội suy thành mã điện thoại. Có nhiều cách phân loại ảnh khác nhau về ảnh. Theo lý thuyết về nhận dạng, các mơ hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:
• Nhận dạng theo tham số. • Nhận dạng theo cấu trúc.
Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vẫn tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người...
- Cơ sở tri thức (Knowledge Base)
Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dụng lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong nhiều khẩu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người. Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo các phương pháp trí tuệ con người. Vì vậy, đây các cơ sở tri thức được phát huy.
- Mô tả (biểu diễn ảnh)
Từ Hình 2.10, ảnh sau khi số hoá sẽ được lưu vào bộ nhớ, hoặc chuyển sang các khâu tiếp theo để phân tích. Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ các ảnh thơ, địi hỏi dung lượng bộ nhớ cực lớn và không hiệu quả theo quan điểm ứng dụng và công nghệ. Thơng thường, các ảnh thơ đó được đặc tả (biểu diễn) lại (hay đơn giản là mã hoá) theo
37
các đặc điểm của ảnh được gọi là các đặc trưng ảnh (Image Features) như: biên ảnh (Boundary), vùng ảnh (Region). Một số phương pháp biểu diễn thường dùng:
• Biểu diễn bằng mã chạy (Run-Length Code) • Biểu diễn bằng mã xích (Chaine -Code)
• Biểu diễn bằng mã tứ phân (Quad-Tree Code) - Biểu diễn bằng mã chạy
Phương pháp này thường biểu diễn cho vùng ảnh và áp dụng cho ảnh nhị phân. Một vùng ảnh R có thể mã hoá đơn giản nhờ một ma trận nhị phân:
U(m, n) = 1 nếu (m, n) thuộc R
U( m, n) = 0 nếu (m, n) khơng thuộc R
Trong đó: U(m, n) là hàm mô tả mức xám ảnh tại tọa độ (m, n). Với cách biểu diễn trên, một vùng ảnh được mô tả bằng một tập các chuỗi số 0 hoặc 1. Giả sử chúng ta mô tả ảnh nhị phân của một vùng ảnh được thể hiện theo toạ độ (x, y) theo các chiều và đặc tả chỉ đối với giá trị “1” khi đó dạng mơ tả có thể là: (x, y)r; trong đó (x, y) là toạ độ, r là số lượng các bit có giá trị “1” liên tục theo chiều ngang hoặc dọc.
- Biểu diễn bằng mã xích
Phương pháp này thường dùng để biểu diễn đường biên ảnh. Một đường bất kỳ được chia thành các đoạn nhỏ. Nối các điểm chia, ta có các đoạn thẳng kế tiếp được gán hướng cho đoạn thẳng đó tạo thành một dây xích gờm các đoạn. Các hướng có thể chọn 4, 8, 12, 24,… mỗi hướng được mã hoá theo số thập phân hoặc số nhị phân thành mã của hướng.
- Biểu diễn bằng mã tứ phân
Phương pháp mã tứ phân được dùng để mã hoá cho vùng ảnh. Vùng ảnh đầu tiên được chia làm bốn phần thường là bằng nhau. Nếu mỗi vùng đã đồng nhất (chứa toàn điểm đen (1) hay trắng (0)), thì gán cho vùng đó một mã và không chia tiếp. Các vùng không đồng nhất được chia tiếp làm bốn phần theo thủ tục trên cho đến khi tất cả các
38
vùng đều đồng nhất. Các mã phân chia thành các vùng con tạo thành một cây phân chia các vùng đồng nhất.
Trên đây là các thành phần cơ bản trong các khâu xử lý ảnh. Trong thực tế, các quá trình sử dụng ảnh số khơng nhất thiết phải qua hết các khâu đó tùy theo đặc điểm ứng dụng. Hình 2.10 cho sơ đồ phân tích và xử lý ảnh và lưu đồ thông tin giữa các khối một cách khá đầy đủ. Anh sau khi được số hóa được nén, luuw lai để truyền cho các hệ thống khác sử dụng hoặc để xử lý tiếp theo. Mặt khác, ảnh sau khi số hóa có thể bỏ qua công đoạn nâng cao chất lượng (khi ảnh đủ chất lượng theo một yêu cầu nào đó) để chuyển tới khâu phân đoạn hoặc bỏ tiếp khâu phân đoạn chuyển trực tiếp tới khâu trích chọn đặc trưng. Hình 2.11 cũng chia các nhánh song song như: nâng cao chất lượng ảnh có hai nhánh phân biệt: nâng cao chất lượng ảnh (tăng độ sáng, độ tương phản, lọc nhiễu) hoặc khôi phục ảnh (hồi phục lại ảnh thật khi ảnh nhận được bị méo) v.v…
39
2.2.2 Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh
2.2.2.1 Điểm ảnh (Picture Element)
Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy tính (số), ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng. Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh (PEL: Picture Element) hay gọi tắt là Pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứmg với cặp tọa độ (x, y)
Định nghĩa: Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ
xám hoặc màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh.
2.2.2.2 Ảnh số
Ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh gần với ảnh thật. Số điểm ảnh xác định độ phân giải của ảnh. Ảnh có độ phân giải càng cao thì càng thể hiện rõ nét các đặc điểm của tấm ảnh và càng làm cho tấm ảnh trở nên thực và sắc nét hơn. Một hình ảnh là một tín hiệu hai chiều, nó được xác định bởi hàm toán học f (x, y) trong đó x và y là hai tọa độ theo chiều ngang và chiều dọc. Các giá trị của f (x, y) tại bất kỳ điểm nào là các giá trị điểm ảnh (pixel) tại điểm đó của một hình ảnh. Ảnh số thực tế là biểu diễn số học của hình ảnh trong máy tính, thường là biểu diễn nhị phân. Có thể phân ảnh số thành 2 loại: ảnh raster và ảnh vector
- Ảnh raster
Ảnh Raster là một tập hợp hữu hạn các giá trị số, gọi là điểm ảnh (pixel - picture element). Thơng thường một hình ảnh được chia thành các hàng và cột chứa điểm ảnh. Điểm ảnh là thành phần bé nhất biểu diễn ảnh, có giá trị số biểu diễn màu sắc, độ
40
sáng,… của một thành phần trong bức ảnh. Ảnh raster thường được thu từ camera, các máy chiếu, chụp, quét… và chính là đối tượng chính của xử lý ảnh và thị giác máy tính.
- Ảnh vector
Ảnh vector là loại ảnh tạo thành từ các thành phần đơn giản của hình học như điểm, đường thẳng, hình khối… Thay vì được lưu lại thành các ma trận điểm ảnh như ảnh raster, ảnh vector được biểu diễn dưới dạng tọa độ của các thành phần trong ảnh. Chính điều này đã tạo nên sự đặc biệt của ảnh vector, khiến nó có thể được kéo dãn, thu nhỏ tùy ý mà không bị vỡ, không xuất hiện răng cưa như ảnh raster. Dữ liệu trong ảnh vector nhỏ, do vậy thường tiết kiệm dung lượng lưu trữ hơn ảnh raster. Tuy thế, màu sắc trong ảnh vector nhìn khơng thật, màu sắc ít tinh tế hơn ảnh raster. Thông thường người ta sử dụng ảnh vector trong thiết kế các logo, banner, giao diện đồ họa… Loại ảnh này gần như không xuất hiện khi đề cập đến xử lý ảnh / thị giác máy tính.
2.2.2.3 Độ phân giải của ảnh
Định nghĩa: Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định
trên một ảnh số được hiển thị. Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bố, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong không gian hai chiều.
Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor) là một
lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc * 200 điểm ảnh (320*200). Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12" ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA 17" độ phân giải 320*200. Lý do: cùng một mật độ (độ phân giải) nhưng diện tích màn hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
41
2.2.2.4 Mức xám của ảnh
Một điểm ảnh (pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ xám của nó. Dưới đây chúng ta xem xét một số khái niệm và thuật ngữ thường dùng trong xử lý ảnh.
Định nghĩa: Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị
số tại điểm đó.
- Các thang giá trị mức xám thơng thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là
mức phổ dụng. Lý do: từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám: Mức xám dùng 1 byte biểu diễn: 2256 mức, tức là từ 0 đến 255).
- Ảnh đen trắng: là ảnh có hai màu đen, trắng (khơng chứa màu khác) với mức
xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau.
- Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức dùng 1bit mơ tả 21
mức khác nhau. Nói cách khác: mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1.
- Ảnh màu: trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên thế
giới màu, người ta thường dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu: 28*3 = 224 ≈ 16,7 triệu.
2.2.2.5 Quan hệ giữa các điểm ảnh
Lân cận ảnh là tập hợp những điểm ảnh có xung quanh điểm ảnh đang xét. Có 2 loại lân cận ảnh: lân cận 4 và lân cận 8.
42
4 điểm ảnh lân cận 4 theo cột và hàng với tọa độ lần lượt là (x+1, y), (x-1, y), (x, y+1), (x, y-1) ký hiệu là tập N4 (p). 4 điểm ảnh lân cận 4 theo đường chéo có tọa độ lần lượt là (x+1, y+1), (x+1, y-1), (x-1, y+1), (x-1, y-1) ký hiệu là tập ND (p). Tập 8 điểm ảnh lân cận 8 là hợp của 2 tập trên:
N8 (p) = N4 (p) + ND (p)
- Liên kết ảnh [3]: Các mối liên kết của ảnh được xem như là mối liên kết của 2
điểm ảnh gần nhau, có 3 loại liên kết: liên kết 4, liên kết 8, lên kết m (liên kết hỗn hợp). Trong ảnh đa mức xám, ta có thể đặt V chứa nhiều giá trị như V= {tập con}. Cho p có tọa độ (x, y). Liên kết 4: hai điểm ảnh p và q có giá trị thuộc về tập V được gọi là liên kết 4 của nhau nếu q thuộc về tập N4 (p).
- Liên kết 8: hai điểm ảnh p và q có giá trị thuộc về tập V được gọi là liên kết 8
của nhau nếu q thuộc về tập N8 (p).
- Liên kết m: hai điểm ảnh p và q có giá trị thuộc về tập V được gọi là Liên kết m